Γιατί ανεβαίνει το νερό στο ποτήρι;

Αγαπητοί φίλοι χρόνια πολλά και καλά.

Μάλλον τελευταίος (και καταϊδρωμένος) είδα την ενδιαφέρουσα συζήτησή σας. Προσωπικά θα αναφερθώ στο γιατί θεωρώ αυτό το πείραμα (όχι μόνο του αλλά σε συνδυασμό με άλλο και αναφορά σε κάτι ακόμη που θα μπορούσε ίσως να γίνει video), σημαντικό για τη διδασκαλία και Χημείας και Βιολογίας. Θεωρώ ότι το σημαντικό δεν είναι το ποσοτικό αποτέλεσμα ότι δηλ. ο αέρας περιέχει περίπου 20% οξυγόνο, αλλά το γεγονός ότι υπάρχει κάποιο συστατικό του αέρα που χρησιμοποιείται στην καύση (εδώ και στη συνέχεια του παρόντος εννοώ το έντονο φαινόμενο με φλόγες) στην οξείδωση και στην αναπνοή.

Για την καύση (όπως ορίστηκε παραπάνω) προτείνεται το πείραμα που μας απασχολεί, για την οξείδωση αντίστοιχο πείραμα όπου στον πάτο του ποτηριού έχει σφηνωθεί κομμάτι από ατσαλόμαλλο (τα παλιά συρματάκια που τρίβαμε, εμείς οι παντρεμένοι, κατσαρόλια. Αυτά δηλ. που σκουριάζουν πολύ αν αφεθούν βρεγμένα στο νεροχύτη) αναποδογυρίζοντας το ποτήρι σε πιάτο με νερό. Απαιτείται φροντίδα να αρχίσει το πείραμα με το νερό μέσα και έξω από το ποτήρι να βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο). Μετά από δυο μέρες το νερό έχει ανέβει στο ποτήρι, και εδώ βρίσκουμε πράγματι το 20% και όταν βγάλετε το σύρμα (αν δεν είναι υπερβολικά πολύ) διακρίνετε την σκουριά (βλ. και παλιότερη ανάρτηση του Πάνου Μουρουζη). Η αναπνοή γίνεται με αναφορά στο ότι αν είχε κλειστεί στο δοχείο κάποιο ζωάκι θα πέθαινε και πάλι το νερό θα είχε ανέβει. Γιώργο λες να θυσιάσουμε, «στο όνομα της επιστήμης» κανένα ποντικάκι στο 12λιτρο δοχείο σου;

Η απόδειξη ότι κάτι κοινό χρησιμοποιείται στην καύση στην οξείδωση και στην αναπνοή παρουσιάστηκε με πειράματα (ίδια ή αντίστοιχα με τα παραπάνω) από τον John Mayow στο βιβλίο του «Medico–Physico Works που κυκλοφόρησε το 1674. Μπορείτε να το κατεβάσετε ελεύθερα από το https://ia801407.us.archive.org/12/items/medicophysicalw01mayogoog/medicophysicalw01mayogoog.pdf

και δείτε αρχικά τις σελίδες 68 (κάτω) έως τουλάχιστον 73 (στο pdf είναι οι σελίδες 102 – 107) συνδυασμό με τις εικόνες fig.1 και fig.4 στη σελίδα 374 του pdf. Τα ποσοτικά αποτελέσματα του Mayow είναι πολύ χαμηλότερα από το γνωστό μας 1/5. Ποιο σύντομα μπορείτε να βρείτε περιγραφή των πειραμάτων στο http://consortiumjournal.com/c2011/content/springer,%20mike–the%20discovery%20of%20oxygen.pdf

(δείτε σελίδες 2-4), σε αυτό θα βρείτε και κρίσεις για την εργασία του Mayow και αναφορά στους Priestly και Lavoisier (σελίδες 7 και 8) και σε αλχημιστές πριν από τον Mayow.

Σημειώνω ότι ο Mayow δεν μιλάει για συστατικά του αέρα, ο αέρας συνεχίζει να είναι «στοιχείο», θεωρεί ότι με την καύση, την οξείδωση και την αναπνοή τα σωματίδια του αέρα χάνουν την ελαστικότητά τους. Θυμίζω απλά ότι ο Boyle στο βιβλίο του «New Experiments Physico–Mechanical, touching the Spring of the Air» που τυπώθηκε το 1660 (14 χρόνια πριν από την έκδοση του βιβλίου του Mayow) αποδίδει την ατμοσφαιρική πίεση στην ελαστικότητα του αέρα. Έτσι στα πειράματα του Mayow όπου το νερό μπαίνει μέσα στο γυάλινο δοχείο τα σωματίδια του αέρα που επίσης βρίσκονται μέσα στο γυάλινο δοχείο έχουν χάσει μέρος από την ελαστικότητά τους. Αποδίδει δηλ. την υποπίεση στην ελάττωση της ελαστικότητας (των ελατηρίων) του αέρα.

Κατερίνα γειά σου

Για να γίνει αντιληπτό το «γιατί χάνει την ελαστικότητά του ο αέρας» απαιτείται να μπούμε στο μοντέλο που κατά πάσα πιθανότητα είχε αποδεχτεί ο Mayow. Το βιβλίο του Mayow στο οποίο αναφέρομαι κυκλοφόρησε το 1674. Υποθέτω ότι γνώριζε τις απόψεις του Boyle που είχαν δημοσιευτεί στο βιβλίο του «New Experiments Physico–Mechanicall, touching the Spring of the Air» που τυπώθηκε το 1660 (file:///C:/Users/2F49~1/AppData/Local/Temp/New%20experiments%20physico-mechanical%20touching%20the%20air.pdf)

Ο Boyle (πείραμα 17 παραπάνω βιβλίου) έκλεισε το (ανοιχτό) υδραργυρικό βαρόμετρο σε γυάλινο κώδωνα, συνδεμένο με μια αντλία κενού και επισημαίνει ότι με αυτόν τον τρόπο ο υδράργυρος έχει απομονωθεί από το βάρος της ατμόσφαιρας. Παρατηρεί ότι: «… το κλείσιμο φαίνεται να μην έχει καμιά επίδραση στο ύψος της κυλινδρικής στήλης του υδραργύρου. Είναι σαν η παρεμβολή του γυάλινου δοχείου να μην εμπόδισε την άμεση πίεση της ατμόσφαιρας του περιβάλλοντος επάνω στον κλεισμένο μέσα αέρα. Αυτό σημαίνει ότι τον υδράργυρο τον συγκρατεί μάλλον η ελαστικότητα (τα ελατήρια) του αέρα παρά το βάρος του, δεδομένου ότι το βάρος του δεν μπορεί να υποτεθεί ότι είναι πάνω από δύο ή τρεις ουγγιές, και το οποίο είναι ασήμαντο σε σύγκριση με τη στήλη του υδραργύρου που συγκρατεί από την πτώση.». Σημειώνω ότι πριν από αυτό είχε διατυπωθεί από τον Pascal η άποψη ότι το βάρος της στήλης του αέρα αντισταθμίζεται από το βάρος στήλης του υδραργύρου (την άποψη αυτή μπορείς να την συναντήσεις ακόμη και σημερα π.χ. δες:

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%A5%CE%B4%CF%81%CE%B1%CF%81%CE%B3%CF%85%CF%81%CE%B9%CE%BA%CF%8C_%CE%B2%CE%B1%CF%81%CF%8C%CE%BC%CE%B5%CF%84%CF%81%CE%BF

Το παραπάνω, και άλλα παρόμοια πειράματα, οδήγησαν τον Μπόυλ να διατυπώσει την άποψη ότι αέρας είναι ένα ελαστικό ρευστό. Φαντάστηκε ότι ο αέρας αποτελείται από μικρά σωματίδια και κάθε σωματίδιο είναι ένα μικρό ελατήριο που μπορεί να συμπιεστεί από κάποια εξωτερική δύναμη. Εξ αιτίας της ελαστικότητάς του ο αέρας έχει σε κάθε σημείο του πίεση. Η πίεση είναι αυτή που (μέσω των πιεστικών δυνάμεων) συγκρατεί τη στήλη του υδραργύρου στο βαρόμετρο. Στον ανοιχτό χώρο το βάρος της ατμόσφαιρας συμπιέζει τα ελατήρια του αέρα και αυτά διατηρούν τη συμπίεσή τους και όταν βρέθηκαν στον κλειστό χώρο του γυάλινου κώδωνα που ήταν συνδεμένος με την αντλία. Τα ελατήρια αυτά (αντίστοιχα με τα μόρια στη σημερινή γλώσσα των Φυσικών Επιστημών, για ευκολία σου σκέψου κρούσες μορίων στις επιφανειες) προσκρούουν στην επιφάνεια του υδράργυρου στο πιάτο του βαρόμετρου, και αναγκάζουν τον υδράργυρο να δημιουργήσει τη στήλη που έχει βάρος ίσο με τη δύναμη που συνολικά αυτά εξασκούν (στη σημερινή γλώσσα ). (Το βαρόμετρο έγινε όργανο μέτρησης της πίεσης, πιεσόμετρο, και παραμένει μέχρι σήμερα, κρατώντας όμως ακόμη το αρχικό του όνομα, τουλάχιστον σε περιβάλλοντα Μετεωρολογίας, παρόλο που δεν μετράει βάρος).

Τώρα η ερμηνεία του Mayow για την είσοδο του νερού στο δοχείο μετά από την καύση την οξείδωση ή την αναπνοή: Πριν από την κάυση το νερό στο αντεστραμμένο δοχείο και στην λεκάνη βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο. Αρα και από τις δυο μεριές ο αέρας έχει την ίδια ελαστικότητα. Μετά την καύση το επίπεδο του νερού μέσα στο αντεστραμμένο δοχείο ανεβαίνει. Αυτό σημαίνει γιατί τα ελατήρια του αέρα ασκουν απέξω μεγαλύτερη δύναμη δηλ. τα ελατήρια του αέρα πόυ είναι μέσα στο δοχείο έχουν χάσε (κάτι) από την ελαστικότητά τους.

Σημειωνω ότι από το παραπάνω φαίνεται και ο λόγος που οι επιστήμονες εισάγουν έννοιες του μικρόκοσμου: η ανάγκη ερμηνείας μακροσκοπικών παρατηρήσεων. Σήμερα, σε αντιστοιχία με τα «ελατήρια» του Μπόυλ, το Γαλλικό πρόγραμμα σπουδών του Γυμνασίου εισάγει την έννοια μόριο από την πίεση στα αέρια. Σημειώνω το παραπάνω ως αντιπαραβολή με τον αξιωματικό, («θεολογικό» θα έλεγα) τρόπο με τον οποίο στα, μέχρι σήμερα, προγράμματα σπουδών στη χώρα μας εισάγεται ο μικρόκοσμος. Απλά δηλώνεται, ήδη από την Ε΄ Δημοτικού ότι η ύλη αποτελείται από μόρια και άτομα (τελευταία και από κουαρκς), χωρίς προφανώς να φαίνεται η ανάγκη που οδήγησε στην εισαγωγή τους. Αυτό είναι έξω από τη Φύση της Φυσικής, κάτι διατυπώνεται αξιωματικά και ζητείται από τους μαθητές να «πιστέψουν» σε αυτό. Θυμάμε τον Ανδρέα που στο πνεύμα των παράπανω έγραφε: «Πιστεύω σε ένα κουαρκ»).

Αν σε ενδιφέρει κάτι περισσότερο δες τις σελίδες 314-322 του Pdf (σελίδες 293-301) στο

file:///C:/Users/2F49~1/AppData/Local/Temp/9_-4.pdf